黄土旱塬长期施肥条件下土壤有机碳平衡研究

【摘要】：土壤有机碳(Soil organic C, SOC)是陆地生态系统碳循环的重要组成成分。有机物向土壤中的输入、SOC积累与碳排放是土壤碳循环的重要组成部分。提高SOC积累,减少土壤CO_2排放对保持农业可持续发展、缓解大气CO_2浓度升高具有重要作用。黄土高原为我国典型的雨养农业区和生态脆弱区。上世纪八十年代以来,肥料投入成为调控作物产量和土壤养分的主要手段。但迄今为止,关于施肥措施对SOC循环过程的调控机制尚不完全清楚。本文以设立于黄土旱塬区长期肥料定位试验(始于1984年)为平台,以不同施肥措施为对象,从作物碳同化、SOC积累和土壤碳排放的角度,系统研究了农田作物固碳能力,SOC积累和CO_2排放变化,并讨论了施肥措施对这一过程的影响。 研究共选取了11个处理。(1)长期化肥试验场选用了5个处理:N_0、N_(45)、N_(90)、N_(135)、N_(180)(字母下标数字为施氮量kgN·hm~(-2),底肥同一施磷39kgP·hm~(-2))。(2)在长期轮作培肥试验场选取了6个处理:休闲处理(简称F)、不施肥处理(简称CK)、氮肥处理(N)、氮磷配施(NP)、有机肥处理(M)、化肥有机肥配施(NPM)。两个长期试验的作物均为冬小麦连作。主要结果如下: 长期施肥(1984～2007)显著提高了耕层(0～20cm)SOC的含量,促进了SOC的积累。试验期间,不施氮肥处理SOC含量稳定在6.5g·kg-1水平。与对照(N0)相比, N45、N90、N135、N180处理SOC含量分别提高到7.0、7.2、7.3、7.3 g·kg-1。与N0处理相比,23年期间N45、N90、N135、N180处理耕层SOC库分别积累了1.3、1.8、2.1、2.2 ton·hm~(-2),年提高速率依次为57、78、90、96kgC·hm~(-2)·a~(-1),增施1kgN·hm~(-2)氮肥可使SOC提高1.2 kg·hm~(-2)。有机肥(M)和化肥有机肥配施处理情况下,耕层SOC含量由1984年的6.5 g·kg-1升高为10.8、11.0 g·kg-1,耕层SOC库分别积累了8.6、9.5 ton·hm~(-2),年提高速率依次为373、413 kgC·hm~(-2)。23年期间,休闲处理SOC由6.5 g·kg-1缓慢降低到5.9 g·kg-1,SOC储量降低了1.09ton·hm~(-2)。试验期间因施肥积累的SOC主要分配在5mm水稳性团聚体中。 施肥提高了作物地上部固碳能力,增加了有机物(根茬碳)归还土壤,为SOC的积累提供了基础。与N(015.8μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1))相比,N45净光合速率(17.6μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1))提高了11.4%,N90(18.5μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1))提高了17.1%,N135(19.2μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1))提高21.5%,N180(19.4μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1))提高22.8%。与N0(2169kgC·hm~(-2))相比,N45、N90、N135和N180处理收获期作物地上部分碳积累量和根茬碳还田量较N0(0.45tonC·hm~(-2)·a~(-1))分别提高了100%、142%、167%和183%。有机肥处理(M),尤其是化肥有机肥配施(NPM)处理叶片净光合速率,与对照(CK,16.8μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1))相比,分别提高了19.6%、29.6%。地上部分碳积累比对照(2129 kgC·hm~(-2))分别提高了167%、184%,进入土壤中的有机碳量(根茬碳+有机肥碳)显著增加(CK,0.56 tonC·hm~(-2)·a~(-1);M,1.77 tonC·hm~(-2)·a~(-1);NPM,2.29 tonC·hm~(-2)·a~(-1))。SOC含量与输入有机碳量(根茬碳+有机肥碳)存在极显著的线性相关关系(方程为:Y=2.3393x+5.2747,R2=0.87**,n=11 )。施肥增加了地上部分碳积累和根茬碳的还田量,进而促进SOC积累,提高SOC储量。每年输入(根茬+有机肥)1t的有机碳,其转化为SOC的量大约为0.23t。 增施化肥促进土壤CO_2的排放。N0土壤呼吸的年平均值为1.19μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1),氮肥施用量90kgN·hm~(-2)时,再增施氮肥,土壤呼吸速率无显著变化( N_(90) ,1.87μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1)、N135,1.89μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1)),当氮肥施用量增加至180kgN·hm~(-2)时,土壤呼吸速率(1.72μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1))低于N90、N135。同样施氮水平对土壤CO_2的排放量也呈抛物线形变化,年排放量依次为1608、1993、2483、2585、2354gCO_2·m~(-2)·a~(-1)。尽管施肥促进了土壤CO_2的排放,但同样施肥条件下,与对照(N0)相比,作物地上部碳积累的提高幅度更大。与N_0相比(2169kgC·hm~(-2)),N_(45)、N_(90)、N_(135)、N_(180)处理地上部碳积累量(或根茬碳还田量)分别提高了100%、142%、167%和183%,但土壤CO_2排放量(N0,1608gCO_2·m~(-2)·a~(-1))依次提高了24%、54%、58%、53%。当氮肥施用量超过90 kgN·hm~(-2)时,CO_2排放量没有显著增加,超过135 kgN·hm~(-2)时,甚至降低(N90,2483 gCO_2·m~(-2)·a~(-1)、N135,2585gCO_2·m~(-2)·a~(-1)、N180,2354gCO_2·m~(-2)·a~(-1))。这是施氮促进SOC积累的试验证据。 在有机肥的基础上配施化肥,土壤CO_2排放量无明显升高(M,3777 gCO_2·m~(-2)·a~(-1)、NPM,3821gCO_2·m~(-2)·a~(-1)),但其地上部分碳积累却显著提高(较M提高了54%),同时提供了更多的跟茬碳归还量。这可能是化肥与有机肥配施促进SOC积累的重要机理。 此外,在黄土旱塬区,长期休闲土壤呼吸速率的年均值为0.96μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1),排放量为1305 gCO_2·m~(-2)·a~(-1),由于没有新鲜有机物的输入,致使SOC含量缓慢下降。休闲地土壤呼吸主要受土壤温度和水分的影响,其关系可用双因素模型R = ae~(bΤ)W~c(a、b、c为常数)很好地描述(5,10,15,20,40,60cm土层的决定系数R2=0.74～0.85)。土壤呼吸速率与SOC组分DOC、MBC呈显著(P0.05)正相关关系、与土壤碳氮比(C/N,8～9)呈极显著(P0.01)负相关。

【关键词】：黄土高原 施肥措施 作物碳固定 SOC 土壤呼吸
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：S153.62
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